Sobrecorriente

Una falla por sobrecorriente puede ocurrir por una amplia variedad de razones. La mayoría están relacionados con problemas con la carga o el cableado de conexión y/o los parámetros del variador no configurados correctamente para adaptarse a la carga. Los

problemas de sobrecorriente que se originan dentro de la propia unidad no suelen ocurrir hasta que no se han abordado los problemas de campo recurrentes. A continuación, se muestran algunos problemas típicos asociados con esta falla:

2.6.1.1 La carga del motor es demasiado pesada para el variador

Los variadores se clasifican en función dla corriente que pueden transportar sin exceder su clasificación de temperatura. La corriente nominal del variador debe cumplir o superar la corriente de carga completa (FLA: siglas en inglés de full load amperage) del motor como se indica en la placa de identificación del motor, Y la capacidad de sobrecarga del variador debe poder soportar la corriente de arranque del motor en condiciones normales de funcionamiento. Debido a que la corriente de arranque puede variar según la carga que impulsa el motor, la mayoría de los fabricantes enumeran dos corrientes para un variador determinado: servicio normal (también conocido como servicio estándar o, en algunos casos, servicio ligero) y servicio pesado.

Estas clasificaciones de servicio están diseñadas para reflejar el torque requerido para soportar las cargas conectadas; las clasificaciones de servicio normal se aplican a cargas de torque variable (también llamadas cuadráticas) como bombas centrífugas y ventiladores, mientras que las clasificaciones de servicio pesado se aplican a cargas de torque constante o potencia constante como compresores, bombas de desplazamiento positivo, prensas, prensas perforadoras, etc. En la tabla 6 se muestra un ejemplo de la diferencia entre estos dos valores nominales para varios variadores de 480 V de la serie Yaskawa GA800. Tenga en cuenta que los valores nominales para servicio pesado son significativamente más bajos, lo que simplemente indica que cuando un variador se usa para una aplicación de servicio pesado, en promedio, verá más consumo de corriente durante los cambios de carga (arranque, aceleración/desaceleración rápida, etc.) y, por lo tanto, necesitará más espacio libre para adaptarse a esto.

Tabla 6

Clasificaciones dobles para VFD de la serie GA800.

Salida de servicio normal Salida de servicio pesado Variadores estándar IP20

HP A HP A Código de catálogo GA80U…

1 2,1 0,75 1,8 4002ABM

2 4,1 1,5 3,4 4004ABM

3 5,4 2 4,8 4005ABM

4 7,1 3 5,5 4007ABM

5 8,9 4 7,2 4009ABM

7,5 11,9 5 9,2 4012ABM

10 17,5 7,5 14,8 4018ABM

15 23,4 10 18 4023ABM

Fuente de Yaskawa America, Inc.

Si se confirma que la unidad tiene el tamaño adecuado, pero persisten los problemas de sobrecorriente, se deben explorar otras causas. Medir el consumo de corriente del motor con un amperímetro RMS verdadero es un buen primer paso. Esto puede indicar si el motor necesita un examen más detenido. El consumo excesivo de corriente puede deberse a una avería del aislamiento del motor (ver a continuación), un cortocircuito interno o un desgaste excesivo de los rodamientos.

2.6.1.2 El aislamiento del motor se está dañando

Esto puede ser el resultado de la edad, el control prolongado por un VFD, el sobrecalentamiento y otros factores. Se utiliza una prueba de resistencia de aislamiento para determinar la calidad del aislamiento del motor. Las pruebas de lectura puntual pueden ser valiosas si el historial de resistencia de aislamiento del motor está disponible, y la prueba de tiempo versus resistencia es mejor si no hay historial de resistencia de aislamiento del motor.

La Figura 15 muestra un ejemplo de los resultados de la prueba de tiempo versus resistencia).

La clave aquí es que esta prueba sea realizada por personal calificado; Hay muchas variables que pueden influir en las pruebas y reducir su precisión, por lo que deben tenerse en cuenta.

Figura 15. Gráficos de tiempo frente a resistencia para aislamiento bueno y malo. Fuente ColeParmer.

La ruptura del aislamiento generalmente se corrige rebobinando o reemplazando el motor. Es útil saber por qué ocurrió la avería en primer lugar para asegurarse de que las mismas causas no reduzcan también la vida útil del motor "nuevo". Una de esas causas se debe al diseño inherente de los sistemas de aislamiento en los motores más antiguos. Muchos motores más antiguos no pueden resistir eficazmente los picos de voltaje observados en los terminales del motor cuando son controlados por un VFD durante períodos prolongados.

Estos picos son el resultado de los pulsos de salida rápidos del VFD que se utilizan para crear la forma de onda de CA sintetizada que se envía al motor. Son inherentes a la mayoría de las unidades modernas y solo se pueden reducir mediante el uso de filtros de salida.

Cuánto aumentan los niveles de voltaje en los terminales del motor está determinado por la capacitancia del variador, los cables del motor y el motor; la longitud de los cables del motor; el tiempo de subida del pulso de voltaje del variador y la frecuencia de conmutación;

y la presencia o ausencia de los filtros de salida antes mencionados. Baste decir que no es raro ver niveles de voltaje de dos a cuatro veces el nivel de voltaje de línea (entrada) en los terminales del motor cuando se usa un VFD. Esta es la razón por la que los motores adecuados para ser controlados por un VFD generalmente se construyen según estándares

como NEMA MG 1 Partes 30 y 31 de América del Norte, que requiere que los sistemas de aislamiento del motor se construyan para soportar al menos 3.1 veces el voltaje nominal del motor (para motores ≤ 600 V) o 2,04 veces la tensión nominal del motor (para motores >

600 V). En la práctica, no es raro ver a fabricantes como GE fabricar motores de 460 V con sistemas de aislamiento de 1800 V (o más). Estos sistemas generalmente no estaban disponibles en motores más antiguos, por lo que incluso aquellos con sistemas de aislamiento relativamente intactos pueden no ser capaces de soportar voltajes inducidos por el variador durante períodos prolongados.

El sobrecalentamiento del motor es otra causa importante de fallas por sobrecorriente del VFD. Esto puede ser el resultado de los efectos de sobretensión mencionados anteriormente, que pueden calentar gradualmente los devanados terminales. También puede ser el resultado de operar el motor en ambientes de alta temperatura ambiente. Además, operar un motor auto-enfriado (por ejemplo, un diseño enfriado por ventilador totalmente cerrado) a bajas velocidades continuamente puede hacer que el motor se caliente debido a la reducción de aire a través de las aletas de enfriamiento. Esta es la razón por la que se recomienda no hacer funcionar los motores enfriados por ventilador a menos del 60% de la velocidad nominal durante períodos prolongados, aunque un variador ciertamente lo permite. Es ampliamente reconocido que, por cada 10 °C de aumento en la temperatura del devanado por encima de la temperatura ambiente nominal del motor, la vida útil del motor se reduce en un 50%. Si bien hay muchos factores que afectan la precisión de esta afirmación, sigue siendo cierto que la vida útil del motor se reduce por el sobrecalentamiento.

2.6.1.3 El aislamiento del cable del motor se está dañando

El impacto de esto puede ser obvio: un cortocircuito de fase a fase o de fase a tierra que dispara el variador y, quizás, los dispositivos de protección aguas arriba. En el proceso, la sección de salida de la unidad puede dañarse permanentemente, según el momento y la

ubicación del cortocircuito. El VFD verá el debilitamiento del aislamiento como un aumento en la fuga de corriente, lo que colocará una tensión adicional en la salida del variador. Los resultados pueden ser fallas por sobrecorriente. En algunos casos, particularmente cuando no se siguen los métodos adecuados de conexión a tierra y blindaje, la corriente de fuga también puede afectar el cableado y/o componentes cercanos a través del acoplamiento capacitivo (Figura 16). La prueba de aislamiento de cables es una buena herramienta, pero a menudo ignorada, en un plan de mantenimiento preventivo sólido. Si se hace correctamente, revelará problemas inminentes sin dañar el cable o tiempo de inactividad impredecible. En cualquier caso, reemplazar el cable es la única opción.

Ruta de corriente de carga del cable

Las corrientes acopladas capacitivamente podrían exceder la clasificación del variador.

Co1 = Ruta de capacitancia línea a línea Cog = Línea de trayectoria de capacitancia a tierra.

Figura 16. Rutas de acoplamiento capacitivo en cables de salida del variador

Es posible que la configuración de la unidad no sea adecuada para la aplicación: la configuración predeterminada de fábrica de la unidad no siempre es correcta para la aplicación. Es posible que los perfiles de aceleración/desaceleración predeterminados no sean correctos. Por ejemplo, si la aceleración está programada para que sea demasiado rápida para el par necesario, es posible que el variador experimente una corriente de entrada excesiva. Lo mismo puede ocurrir durante la desaceleración rápida de cargas de alta inercia.

Algunos variadores también permiten la configuración de patrones V/f

(voltios/hercios) personalizados para permitir que la salida del variador se adapte al perfil de par de carga, aunque esto puede implicar pruebas y errores significativos. Nuevamente, los ajustes incorrectos pueden causar fallas por sobrecorriente.

Si no se puede resolver y se han abordado las otras causas potenciales de sobrecorriente, entonces el problema podría ser un corto en la salida del variador.

Alternativamente, podría ser que se necesite un variador con una salida nominal más alta;

En algunas aplicaciones, un par de arranque excepcionalmente alto puede significar que la clasificación de servicio pesado habitual del 150% de FLA no es suficiente y que se necesita la siguiente transmisión con clasificación más alta. Las extrusoras y prensas pueden ser ejemplos de esto.

2.6.1.4 El frenado dinámico para una desaceleración rápida

Las cargas grandes y de alta inercia, como astilladoras, trituradoras, centrifugadoras e incluso algunos ventiladores de gran diámetro, pueden tardar varios minutos en detenerse por completo si no se frena activamente. Los variadores suelen utilizar inyección de corriente, a veces denominada frenado dinámico o frenado de flujo, o cambios de frecuencia escalonados para reducir el tiempo de parada del motor.

Figura 17. Tiempo de frenado por inyección de CC frente a frecuencia de salida en la serie Yaskawa A1000. Fuente Yaskawa America, Inc.

En la Figura 17 se muestra un ejemplo del frenado dinámico para un variador. Si los parámetros que gobiernan el método de frenado elegido no se configuran correctamente, pueden ocurrir fallas por sobrecorriente. Mucho de esto es prueba y error; las cargas pueden cambiar dependiendo de la aplicación, y puede ser necesario experimentar para determinar la mejor configuración para usar en el rango de condiciones normales de funcionamiento.

2.6.1.5 Comando de Marcha del motor

Mientras el motor se detiene por inercia, retiene una inercia considerable. Si se envía un comando de marcha durante la marcha por inercia, el variador puede experimentar un aumento de corriente a través del bus de CC. Muchas unidades tienen una configuración interna para "atrapar un motor volador"; es decir, determinar su velocidad y emparejarla con la salida de la unidad. Controlando cuidadosamente la corriente, se puede evitar una falla por sobrecorriente. La activación de esta función es típicamente una cuestión de ajustar algunos parámetros, y depende hasta cierto punto del método de control seleccionado (V/f, vector de lazo abierto o vector de lazo cerrado). Cambiar las condiciones de carga también puede significar que se necesita algo de prueba y error para obtener la configuración correcta.

Si bien existen otras causas para las fallas por sobrecorriente, las anteriores constituyen un gran porcentaje de ellas.